● 摘要
磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）因其转子由磁轴承支撑，具有无摩擦、无需润滑系统、寿命长等优点，被认为是要求高精度、高可靠、长寿命等的航天器急需的理想姿态执行机构。而主被动磁轴承由于转子的部分自由度采用被动磁轴承稳定悬浮，在功耗、可靠性、寿命方面较全主动磁轴承更具优势。随着航天技术的发展，航天器的结构和任务需求日益复杂，MSCMG作为其理想执行机构，对其控制系统也提出了更高的要求，而磁轴承作为关键部件，其控制系统的可靠性设计至关重要。容错控制为提高磁轴承系统的可靠性开辟了一条新途径，而磁轴承功率器件的失效是影响磁轴承控制系统可靠性的主要因素。本文针对主被动MSCMG磁轴承一侧线圈及相应功放系统损坏使得该线圈无电流时的容错控制问题进行了相关方法和实验研究。本文的主要研究内容包括：
(1)介绍了主被动磁轴承-转子系统的结构及工作原理，分析并建立了磁轴承一侧线圈或相应功放系统损坏使得该线圈无电流时单自由度及径向两平动自由度的磁轴承-转子系统的动力学模型，为进一步对磁轴承一侧线圈或功放容错控制的研究提供了理论依据。
(2)针对单自由度磁轴承-转子系统一侧线圈无电流的情况，设计了基于反馈线性化加保性能控制的组合容错控制器。首先应用反馈线性化方法将磁轴承-转子系统非线性模型大范围精确线性化。在考虑参数摄动的基础上设计最优保性能控制器，使系统稳定并具有良好的鲁棒性。实验结果表明，所设计的组合容错控制器能使转子在一侧线圈无电流情况下稳定悬浮并对参数摄动和扰动具有良好的鲁棒性。
(3)结合单自由度线圈无电流容错控制，设计组合容错控制器实现主被动磁轴承-转子系统的线圈无电流故障容错控制。首先应用反馈线性化将原两输入两输出非线性耦合系统精确线性化并解耦。分析并得到包含参数摄动的完整的线性化模型，然后在此模型基础上设计最优保性能控制器。实验结果表明，所设计的组合容错控制器显著减少了一侧线圈无电流情况下两自由度之间的耦合，并具有良好的鲁棒性，实现了主被动磁轴承-转子系统线圈无电流情况下的容错控制。
(4)在实验室已有的MSCMG基础上搭建了容错控制实验平台，在此平台上对基于反馈线性化加保性能控制的磁轴承-转子系统线圈无电流故障组合容错控制器进行了一系列实验验证。